02直流电机.ppt

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1、第二章第二章 直流电机直流电机本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机和直流电动机的工作特性运行特性。机和直流电动机的工作特性运行特性。第二节第二节 直流电机的铭直流电机的铭牌数据牌数据第三节第三节 直流电机的绕直流电机的绕组组第四节第四节 直流电机的励直流电机的励磁方式及磁场磁方式及磁场第五节第五节 感感应电动势和电磁转矩的计算应电动势和电磁

2、转矩的计算第六节第六节 直流电机直流电机的运行原理的运行原理第七节第七节 直流电机直流电机的换向的换向第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构直流电动机的优点：直流电动机的优点：1 1、便于移动。、便于移动。2 2、调速性能好。、调速性能好。3 3、启动转矩大。、启动转矩大。直流电动机的缺点：直流电动机的缺点：1 1、制造工艺复杂，生产成本高。、制造工艺复杂，生产成本高。2 2、维护较困难。、维护较困难。3 3、可靠性差。、可靠性差。直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电

3、瓶机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电瓶充电等。充电等。第一节 直流电机的工作原理和结构一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理直流电动机工作原理直流电动机工作原理 把电刷把电刷A、B接到直流接到直流电源上，电刷电源上，电刷A接正极，电接正极，电刷刷B接负极。此时电枢线圈接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图：中将电流流过。如右图：在磁场作用下，在磁场作用下，N极性极性下导体下导体ab受力受力方向从右向方向从右向左，左，S 极下导体极下导体cd受力方受力方向从左向右。该电磁力形向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，成逆时针方向的电磁转矩，电机转子逆时针方向旋转。电机转

4、子逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所当电枢旋转到右图所示位置时示位置时,原原N N极性下导体极性下导体 ab ab 转到转到 S 极下，受极下，受力力方方向从左向右，原向从左向右，原S 极下导极下导体体cdcd转到转到N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。方向旋转。直流电动机工作原理：直流电动机工作原理：励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。由于换向器的作用保证

5、同一磁极下元件边内的电流方向始由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流终一致，电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流电动机旋转。电动机旋转。直流电动机换向器的作用？直流电动机换向器的作用？直流发电机的工作原直流发电机的工作原理理 右图右图为为直流发电机的直流发电机的物理模型，物理模型，N、S为定子为定子磁极，磁极，abcd是固定在可旋是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈电机的转子或电枢。线圈的首末端的首末端a、d连接到两个连接到两个相互绝缘并可随

6、线圈一同相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。因此电刷因此电刷A的极性总是正的，的极性总是正的，电刷电刷B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要接起来，构成电机的电

7、枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。极交替旋转多对。当原动机驱动电机转子逆时当原动机驱动电机转子逆时针旋转针旋转1801800 0后后，如右图。，如右图。导体导体ab在在S极下，极下，a点低位，点低位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极下，极下，c点点低电位，低电位，d点高电位；电刷点高电位；电刷A极性极性性仍为正，电刷性仍为正，电刷B极性仍为负。极性仍为负。直流发电机工作原理：直流发电机工作原理：励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换向器

8、的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直流电动势。流电动势。直流发电机换向器的作用？直流发电机换向器的作用？直流电机结构示意图直流电机结构示意图机座机座磁极极身磁极极身励磁绕组励磁绕组转子转子磁极极掌磁极极掌二、直流电机的结构二、直流电机的结构直流电机的主要结构1换向极铁心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3主极铁心主极铁心4励磁绕组励磁绕组5电枢齿电枢齿6电枢铁心电枢铁心7换向器换向器8电刷电刷9电枢绕组电枢绕组10机座机座11底脚底脚换向器结构换向器结构1换向片；换向片；2垫圈垫圈3绝缘层；绝缘层；4套筒套筒安装在机座上的主极安装在机座上的主极

9、1极身；极身；2极靴；极靴；3励磁绕组；励磁绕组；4绝缘板；绝缘板；5机座机座主主磁极：磁极：建立主磁场；用建立主磁场；用1 11 15mm5mm钢板冲片叠装而成。钢板冲片叠装而成。换向磁极：换向磁极：改善换向；改善换向；用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。励磁绕组：励磁绕组：用电磁线用电磁线（漆包线）（漆包线）绕制，通直流电产生磁动势。绕制，通直流电产生磁动势。机座：机座：由铸钢或钢板焊接而成，由铸钢或钢板焊接而成，即是结构件又是主磁路的一部分。即是结构件又是主磁路的一部分。电刷装置：电刷装置：主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。主要有电刷和刷握组成，引入或引

10、出直流电。电枢铁心：电枢铁心：主磁路，嵌放电枢绕组；主磁路，嵌放电枢绕组；用用0 05mm5mm硅钢板冲片叠硅钢板冲片叠装而成。装而成。电枢绕组：电枢绕组：通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。换向器：换向器：改变电枢绕组的改变电枢绕组的电流或感应电动势方向；由换向片电流或感应电动势方向；由换向片（铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。（铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。第二节 直流电机的铭牌数据额定功率额定功率 PN指电机在铭牌规定

11、的额定状态下运行时，电机的输出功率，以指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于1kW或或1MW 时，则用时，则用kW或或 MW表表示。示。对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率。是指输出的电功率。对于直流电动机，对于直流电动机，PN是指输出的机械功率。是指输出的机械功率。额定电压额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。为单位。额定电流额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的输出电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的输出电流值，以“A”为单为单位。位。额定转速额定转速nN指

12、额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。为单位。额定励磁电压额定励磁电压UfN指电机在额定状态时的励磁电压值。指电机在额定状态时的励磁电压值。额定励磁电流额定励磁电流I IfN指电机在额定工作状态时的励磁电流值。指电机在额定工作状态时的励磁电流值。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效率、出厂此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效率、出厂日期、出厂编号等。日期、出厂编号等。国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：号采用汉语拼音

13、字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示表示直流电动机、第二次改进设计型，直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，表示机座号，7后面的后面的2表表示示长铁心（长铁心（2号表示长铁心，号表示长铁心，1号表示短铁心）。号表示短铁心）。（1 1）Z Z2 2系列是普通中小型直流电机。系列是普通中小型直流电机。（2 2）ZZJZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。机、起重机、升降机、电铲等。其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手

14、册中查到。册中查到。第三节 直流电机的绕组一、简单的绕组一、简单的绕组二、绕组的基本形式二、绕组的基本形式直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组、单波绕组直流电机电枢绕组的基本形式有单叠绕组、单波绕组和混合绕组三种形式和混合绕组三种形式。在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个元件边，将一个上层边一实际的槽中，上、下层嵌放多个元件边，将一个上层边（首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一（首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件个虚槽。若电枢每槽上、

15、下层只有一个元件边，则总元件数数S 等于实槽数等于实槽数Q。第一节距第一节距：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用 y y1 1表示（以槽数计）。表示（以槽数计）。第二节距第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的 下层边与第二个元件的上层边间的距离，用下层边与第二个元件的上层边间的距离，用y y2 2 表示（以槽数计）。表示（以槽数计）。直流枢绕组基本概念：直流枢绕组基本概念：合成节距合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离，离，用用y表示表示

16、。单叠绕组：单叠绕组：y=y1-y2单波绕组：单波绕组：y=y1+y2换向节距换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用 yc表示。表示。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示表示 (以槽数计）。以槽数计）。=Q/2p 注：注：p为极对数。为极对数。（一）单叠绕组（一）单叠绕组相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻的两个换向片上。的两个换向片上。以极对数以极对数 p=2=2的直流电机为例，说明单叠绕组的联接的直流电机为例，说明单

17、叠绕组的联接。设。设S（元件数）（元件数）=K（换相片数）（换相片数）=Q Q（槽数）（槽数）=16=16，取第一，取第一节距节距y1等于极距等于极距=16/4=4=16/4=4 ，换相器节距，换相器节距yc=1=1。瞬间绕组的并联支路电路图：瞬间绕组的并联支路电路图：单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数p与与支路对数支路对数a相同。相同。电刷数等电刷数等于主磁极数，于主磁极数，电刷位置应电刷位置应使感应电动使感应电动势最大，电势最大，电刷间电动势刷间电动势等于并联支等于并联支路电动势。路电动势。电枢电流等

18、于各支路电流之和。电枢电流等于各支路电流之和。（二）单波绕组（二）单波绕组 指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件依指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件依次串联起来。次串联起来。沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。换向片落在与起始的换向片相邻的位置。以极对数以极对数p=2=2的直流电机为例，说明单波绕组的的直流电机为例，说明单波绕组的联接联接。设。设S（元件数）（元件数）=K（换相片数）（换相片数）=Q（槽数）（槽数）=1515，=15/4=3+3/4=15/4=3+3/4 取第一节距取第一节距y1 1=

19、3 3，换相器节距，换相器节距yc c=7 7。瞬间绕组的并联支路电路图：瞬间绕组的并联支路电路图：单波绕组的特点：单波绕组的特点：同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为a=1=1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；电枢电流电枢电流Ia等于等于2 2倍支路电流倍支路电流ia，即，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b=极对数极对数p。在实际应用中，直流电机除，在实际应用中，直流电机除，单叠绕组、单波绕组外单叠绕组、单波绕组外还有复叠、复波及混合绕组形式，如还有复叠、复波及混合绕组形式，如m叠绕

20、组或叠绕组或m波绕组波绕组它的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的它的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的m倍。倍。应用：应用：叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常（较低）和转速正常的大中型（较低）和转速正常的大中型直流电机。直流电机。波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高和转速较低的中小型和转速较低的中小型直流电机。直流电机。第四节 直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的

21、方式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为：他励、并励、串励和复励。按励磁方式不同可分为：他励、并励、串励和复励。他励他励并励并励串励串励复励复励二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场 下图下图为一台四极为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝为当励磁绕组的串联匝为Nf，流过电流为，流过电流为If，则每极的，则每极的励磁磁动势为：励磁磁动势为：Ff=If Nf。直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感

22、直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由磁力线由N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N极。极。主磁通主磁通主主磁路磁路磁力线不进入电枢铁心，直磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定接经过气隙、

23、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路。子铁轭形成闭合回路。漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。隙的大小和形状。如右图如右图 (a)(b)(a)(b)所示：所示：几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气隙磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐大，磁通密度减小；气隙逐渐大，磁通密度减小；

24、极尖以外，气隙明显增大，极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。磁通密度为零。（b）气隙磁密分布气隙磁密分布 空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c)(c)所示。所示。为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通要有一定量的每极磁通。空载时，气隙磁通。空载时，气隙磁通0 0与空载与空载磁动势磁动势Ff0 或空载励磁电流或空载励磁电流If0 的的关系，称为直流电机的空载磁化关系，称为直流电机的空载磁化特

25、性。如右图所示。特性。如右图所示。为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时一般直流电机额定运行时，额定磁通，额定磁通N N设定在图中设定在图中A点，点，即在磁化特性曲线接近进入饱即在磁化特性曲线接近进入饱和区的位置。和区的位置。三、三、直流电机负载时的负载磁场及电枢反应直流电机负载时的负载磁场及电枢反应 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为产生的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。的磁场发生变化。右右图为一台电刷放在图为一台电刷放在

26、几何中几何中性线的两极直流电机的电枢磁场性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。分布情况。假设励磁电流为零，此时只假设励磁电流为零，此时只有电枢电流。由图可见电枢磁动有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。情况，电枢磁动势为交轴磁动势。如果认为直流电机如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元电枢上有无穷多整距元件分布，则件分布，则电枢磁动势电枢磁动势在气隙圆周方向空间分在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中布呈三角波，如图中Fax所示。所示。由于主磁极下气隙由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个长度基本不变，而两个主磁极之间，气

27、隙长度主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，密度为对称的马鞍型，如图中如图中Bax所示。所示。当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢电枢磁场对励磁磁动势产生的气隙磁场的影响称为磁场对励磁磁动势产生的气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。电枢反应与电刷的位置有关。1 1、当、当电刷在电刷在几何中性线上时，几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁将主

28、磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图电机的磁场分布情况，如图（a a）所示。所示。主磁场的磁主磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线 电枢磁场磁电枢磁场磁通密度分布曲线通密度分布曲线两条曲线逐点叠两条曲线逐点叠加后得到负载时加后得到负载时气隙磁场的磁通气隙磁场的磁通密度分布曲线密度分布曲线由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：1)1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极

29、下，一半磁场被增强，由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲线与空载时不同。线与空载时不同。2)2)呈去磁作用呈去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略铁心磁阻增大，增加

30、的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性交轴去磁性质质。一、感应电动势的计算一、感应电动势的计算第五节 感应电动势和电磁转矩的计算产生产生:电枢旋转时电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称 为电枢电动势。为电枢电动势。大小大小:性质性质:发电机发电机电源电势电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向)；电动机电动机反电势反电势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向)。)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁

31、通可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。及转速有关。二、电磁转矩的计算二、电磁转矩的计算产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的在磁场内受电磁力的 作用作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小:性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。EaIa或或Te称为电磁功率。称为电磁功率。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。枢电流成正比。为电机的转矩常数

32、，有为电机的转矩常数，有其中其中第六节 直流电机的运行原理一、直流电机的基本方程式一、直流电机的基本方程式 电动势平衡方程式：电动势平衡方程式：电动机电动机 U=Ea+Ia Ra 发电机发电机 Ea=U+Ia Ra 励磁回路励磁回路 Uf=If Rf 其中感应电动势其中感应电动势 Ea=Ce n 转矩转矩平衡方程式：平衡方程式：电动机电动机 Te=T2+T0 式中，式中，Te为电动机中产生的电磁转矩；为电动机中产生的电磁转矩；T2为轴输出转为轴输出转矩，其性质为制动转矩；矩，其性质为制动转矩；T0为空载转矩，由电机的机械摩为空载转矩，由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。擦和铁损引起的转矩。T2+

33、T0为总的阻转矩，方向与为总的阻转矩，方向与Te相反。相反。发电机发电机 T1=Te+T0 式中，式中，T1为原动机的拖动转矩；为原动机的拖动转矩；Te为发电机中产生的为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩；发电机的转向由原动机决电磁转矩，其性质为制动转矩；发电机的转向由原动机决定，定，T1 Te，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机转动，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机转动的阻转矩。的阻转矩。功率平衡关系功率平衡关系 电动机电动机 P1=pFe+pmech+pc+Pe Pe=pCuf+pCua+p0+P2二、直流电动机的工作特性二、直流电动机的工作特性 有关方程式：有关方程式：并励直流电

34、动机的工作特性并励直流电动机的工作特性 转速特性：转速特性：由由方程式可得：方程式可得：忽略电枢反应的去磁作用，转速忽略电枢反应的去磁作用，转速与电枢电流按线性关系变化。与电枢电流按线性关系变化。转矩特性：转矩特性：转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比流上升慢。考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比流上升慢。效率特性：效率特性：其中空载损耗其中空载损耗p0与负载电流变化与负载电流变化无关，称为不变损耗。电枢铜耗无关，称为不变损耗。电枢铜耗pCua随随负载电流平方倍变化，又称可变损耗。负载电流平方倍变化，又称可变损耗。当负载电流从零逐渐增大时，效当负载电流从零逐渐增大时，效率

35、也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。如果令如果令 d/dIa=0，可得：说明不变损耗等于可变损，可得：说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效特性的这个特点，对其他电机、变压耗时，效率最高，效特性的这个特点，对其他电机、变压器也适用，具有普遍意义。器也适用，具有普遍意义。串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：与励磁电流呈线

36、性关系。即：转速特性：转速特性：转矩特性：转矩特性：当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的效率特当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的效率特性与并励电动机相同。性与并励电动机相同。当负载电流为零时，电机转速趋于当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。载运行。复励电动机工作特性复励电动机工作特性 常用的复励电动机大都为积复励。这时串励绕组的励常用的复励电动机大都为积复励。这时串励绕组的励磁方向和并励绕组的励磁方向相同。积复励电动机的转速磁方向和并励绕组的励磁方向相同。积复励电动机的转速特性比并励电动机软，但比串励电动机硬，介于

37、二者之间特性比并励电动机软，但比串励电动机硬，介于二者之间。同理，复励电动机的转矩特性和机械特性也将介于并励。同理，复励电动机的转矩特性和机械特性也将介于并励电动机和串励电动机的相应特性之间，并依并励磁动势和电动机和串励电动机的相应特性之间，并依并励磁动势和串励磁动势的相对强弱而有所不同。如并励磁动势在总磁串励磁动势的相对强弱而有所不同。如并励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机的特性和并励电动机接近。动势中占优势，则复励电动机的特性和并励电动机接近。反之，如串励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机反之，如串励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机的特性和串励电动机接近。适当地选择并励磁动

38、势和串励的特性和串励电动机接近。适当地选择并励磁动势和串励磁动势的相对强弱，可以使复励电动机具有负载所需要的磁动势的相对强弱，可以使复励电动机具有负载所需要的特性。特性。差复励电动机应用极少。差复励电动机应用极少。复励复励串励串励并励并励三、直流发电机的特性三、直流发电机的特性 直流发电机大都作为电源使用，励磁方式有：他励、直流发电机大都作为电源使用，励磁方式有：他励、并励和复励。并励和复励。空载运行空载运行 空载特性空载特性 空载特性是指原动空载特性是指原动机的转速机的转速n n=n nN N，输出端，输出端开路，负载电流开路，负载电流I I=0=0时，时，电枢端电压与励磁电流电枢端电压与励

39、磁电流之间的关系，即：之间的关系，即：U U0 0=E E0 0=（I If f）。）。空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线 如图，曲线如图，曲线1 1为空为空载特性曲线，曲线载特性曲线，曲线2 2为为励磁回路总电阻励磁回路总电阻Rf特特性线，也称场阻线性线，也称场阻线Uf=If Rf。如果增大。如果增大Rf，场阻线斜率增大，场阻线斜率增大，空载电压降低。如果空载电压降低。如果继续继续增大增大Rf，场阻线场阻线变为曲线变为曲线3 3，此时，此时Rf称称为临界电阻为临界电阻Rfcr。若再若再增加励磁回路电阻，增加励磁回路

40、电阻，发电机将不能自励建发电机将不能自励建压。压。并励直流发电机自励（建压）条件：并励直流发电机自励（建压）条件：分析：分析：原动机带动发电机旋转时，原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩余磁通感应电动势，在电切割剩余磁通感应电动势，在电动势作用下励磁回路产生电流。动势作用下励磁回路产生电流。如果如果并联在电枢绕组两端的励磁并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性正确，则绕组极性正确，则产生的磁动势产生的磁动势与剩磁方向相同，使主磁路的磁与剩磁方向相同，使主磁路的磁通增加，电动势增大。如此不断通增加，电动势增大。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与增长，

41、直到励磁绕组两端电压与电枢回路相等（即电枢回路相等（即U=Uf=If Rf）时）时，发电机电压达到稳定的平衡工，发电机电压达到稳定的平衡工作点作点A。负载特性负载特性 当当n=nN，If=IfN时时，U=f(I)的关系，称为负载特性，如右图。的关系，称为负载特性，如右图。由曲线可见，负载电流增大时，由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。端电压有所下降。根据公式根据公式U=Ce n-IaRa 可知，可知，如果转速不变，端电压下降有两个如果转速不变，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，负载电流增大，

42、电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增大，使端电压下降。载电流增大而增大，使端电压下降。解决这一问题可采用积复励绕组。解决这一问题可采用积复励绕组。积复励励磁方式如图：积复励励磁方式如图：总结：总结：（1 1）电机的主磁路有剩磁。）电机的主磁路有剩磁。（2 2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。（3 3）励磁回路的总电阻小于临界电阻。）励磁回路的总电阻小于临界电阻。第七节 直流电机的换向换向过程：换向过程：为了分析方便假定换向片的宽度等

43、于电刷的宽度。为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1中的电流方向如图所示。中的电流方向如图所示。电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片1 1、2 2接触时，元件接触时，元件1 1被短路，没有被短路，没有电流。电枢移到电刷与换向片电流。电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1中的电流将中的电流将反向。反向。电机运行时，元件会随电枢的运转从一条支路经过电电机运行时，元件会随电枢的运转从一条支路经过电刷换到另一条支路，元件电流改变方向，这一过程称为换刷换到另一条支路，元件电流改变方向，这一过程称为换向，换向的好坏，直

44、接影响直流电机的运行性能。向，换向的好坏，直接影响直流电机的运行性能。一、一、换向的电磁现象换向的电磁现象元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向换向周期周期T TC C，换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运，换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面

45、，使电机不能正常工作。面，使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：电抗电动势电抗电动势ex：换向元件（线圈）在换向换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。过程中电流改变而产生的。电枢反应电动势电枢反应电动势ea：在几何中性线处，由于电在几何中性线处，由于电枢反应在存在，磁密不为零，枢反应在存在，磁密不为零，在换向元件中感应的切割电动在换向元件中感应的切割电动势。势。直线换向直线换向延

46、迟换向延迟换向二、二、改善换向的方法改善换向的方法 换向时换向元件中的合成电动势不为零，产生附加换换向时换向元件中的合成电动势不为零，产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：按装换向极，位于几何中性线处装换向极。换向绕组按装换向极，位于几何中性线处装换向极。换向绕组与电枢绕组串联，产生换向磁与电枢绕组串联，产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势。动势抵消电枢反应磁动势。大型直流电机在主

47、磁极极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组，补偿绕组靴内安装补偿绕组，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势。势抵消电枢反应磁动势。补偿绕组补偿绕组和和稳定绕组：稳定绕组：稳定绕组稳定绕组补偿绕组补偿绕组n直流电机的可逆原理：直流电机的可逆原理：n 直流电机作为双边励磁，它的工作状态时可逆的。直流电机作为双边励磁，它的工作状态时可逆的。n 对一台直流电机究竟是作发电机运行还是作电动机对一台直流电机究竟是作发电机运行还是作电动机运行，关键要看外加条件，即功率输入的形式。若从轴运行，关键要看外加条件，即功率输入的形式。若从轴上输入机械功率，电机作发电机运行，电刷向外输出直上输入机械功率，电机作发电机运行，电刷向外输出直流电能；若从电刷上输入电功率，电机作电动机运行，流电能；若从电刷上输入电功率，电机作电动机运行，轴上向外输出机械能。对于同一台电机在不同外界条件轴上向外输出机械能。对于同一台电机在不同外界条件下作发电机或电动机运行的原理，称为可逆原理。下作发电机或电动机运行的原理，称为可逆原理。